车辆振动形式及原因

一 城轨车辆转向架运行性能 (1)城轨车辆振动形式及原因 1 城轨车辆振动形式 具有弹性悬挂装置的城市轨道车辆是一个多自由度的振动系统，车辆在运行中产生复杂的振 动现象，这种复杂的振动是由若干的基本形式组合的结果。若将车体视为支撑在弹簧上的刚 体，此缸体就称为簧上质量，这通常指车体。弹簧以下质量称为簧下质量。这通常指的是轮 对轴向装置的质量。研究车辆振动时可以通过车体重心o点引3个互相垂直的坐标X、y、 z,此时车体运动有6个独立的运动形式，即沿x、y、z轴三个方向直线运动，车体在空间 位置及以、巾表示绕x、y、z轴的三个回转运动，车体在空间的位置由6个坐标来确 定所以车体是一个 6 个自由度的运动系统。浮沉振动一即车体沿z轴方向所做的铅垂振动，在某一瞬间，车体各点在铅垂位移相等。 车体平行于原有的平衡位置。横摆振动一即车体沿y轴方向所做的横向振动，在某一瞬间，车体各点在横向位移相等。 车体平行于原有的平衡位置。伸缩振动一即车体沿x轴方向所做的纵向振动，在某一瞬间，车体各点在纵向位移相等。 车体平行于原有的平衡位置。摇头振动一即车体绕z轴作幅角为土巾的回转运动。点头振动一即车体绕y轴作幅角为土的回转运动。侧滚振动一即车体绕x轴作幅角为的回转运动。2 城轨车辆振动原因2.1 车辆运行时产生的振动形式对其走行不和其他的重要零部件的强度、运行平稳性和稳定 性有着重要的和决定性的影响。要研究车辆在运行中的振动特性，就需要对引起车辆振动的原因即激振源进行分析，车辆轮对沿钢轨运行时呈现的复杂运动，这种偏 离直线的轮对运动就是引起车辆振动的主要激振源。由于轮轨之间相互作用力大小、轮对运 动和车辆振动特性都有直接的关系，因此，首先要了解轨道构造特性。铁路的构造基本特性 铁路由钢轨、轨枕、连接零件、道床及道岔等组成。轨道的作用是引导列车运行，同时直接 承受由车轮传来的机车车辆的重量并把它传递给路基或桥隧建筑物。铁路轨道可以分为直线 轨道和曲线轨道，又可分为木枕轨道和混泥土轨道，并且有普通轨道和无缝轨道之分，不同 的轨道有其不同的构造特点，以适应列车正常运行要求，城市轨道中均采用混凝土轨枕及无 缝轨道。钢轨的横断面为工字型，它由轨头、轨腰和轨底三部分组成，为改善轮轨之间的接 触条件、减小滚动阻力即提高钢轨抗压陷合耐磨能力，轨头部分大而厚，轨面平滑，并具有 和轮箍断面相适应的轮廓，由于车轮踏面具有，斜度，因此钢轨不应垂直铺设而应使轨底由 一向倾斜的坡度，城市轨道轨底铺设斜率使1:40 轨底坡可用楔形垫板来使之形成，或在混 凝土轨枕上，将轨底坡直接坐在承轨台上。钢轨通过中间连接零件垫板及道钉与轨枕连接， 以固定其位置，防止两者在纵横向相对运动。轨枕承受来自钢轨的各项压力，并将其传布于 道床，同时有效的保持轨道的规距，方向和位置。每公里配置的轨枕的根数，随线路等级水 平，纵横断面的条件差异，一般线路每公里铺设轨枕的根数是：混凝土轨枕分1760、 1680、 1600 三档，在线路的加强段例如在半径的曲线上，按每公里标准数可适当增加。道床是轨 枕的基础，其作用是传布轨枕载荷到面积较大的路基面上，阻止轨枕移动及排除地表水。有 轨枕传递给到床的静动载荷相当大，因此，道床将产生永久变形，同时在不同的轨枕下面， 其永久变形程度也不同，从而在钢轨、轨枕河道床之间形成间隙，由于在各个轨枕处的间隙 时不等的，因而在轨道的不同作用点同一轮重时其下沉量是不同的，这就形成了轨道的弹性 不均。2.2 二、城市轨道车辆振动的原因车辆运行时产生的振动对其走行部分和其他重要零部件的强度、运行平稳性和稳定性有 着重要的和决定性的影响，要研究车辆在运行中的振动特性，就需要对引起车辆激振动原因 （即激振源）进行分析。车辆轮对沿钢轨运行时呈现出复杂的运动，这种偏离了直线的轮对 运动就是引起车辆振动的主要激振源。由于轮轨间相互作用力的大小、轮对运动和车辆振动 特性都与轨道特性直接有关，因此，首先需要了解轨道的构造特性。（一）铁路轨道构造的基本特性铁路轨道由钢轨、轨枕、联结零件、道床及道岔等组成。轨道的作用是引导列车运行， 同时直接承受由车轮传来的机车车辆的重量并把它传递给路基或桥隧建筑物。铁路轨道的一 般横断面如图5一 3所示。铁路轨道可以分为直线轨道和曲线轨道，又可分为木枕轨道和混凝土轨道，并且有普通 轨道和无缝轨道之分。不同轨道有其不同的构造特点，以适应列车正常运行的要求。左城市 轨道中均采用混泥土轨枕及无缝轨道。钢轨的横断面为工字形。它由轨头、轨腰和轨底三部分组成。为改善轮轨的接触条件、 减小滚动阻力及提高钢轨抗压陷和耐磨能力，轨头部分大而厚，轨面平滑，并具有和轮箍断 面相适应的轮廓。由于车轮踏面具有斜度，因此钢轨不应垂直铺设，而应使轨底有一向内倾斜的坡度。城 市轨道线路轨底坡斜率为1:40。轨底坡可用楔形垫板来使之形成，或在混凝土轨枕上，将轨 底两者在纵横向作相对移动。轨枕承受来自钢轨的各向压力，并将其传布于道床，同时有效地保持轨道的轨距、方向 和位置。每公里线路配置的轨枕根数，随线路等级及平、纵断面条件而异，一般线路上每公 里铺设的轨枕根数是:混凝土轨枕分1 760,1 680,1600三档。在线路的加强地段例如在半径较 小的曲线上，按每公里的标准数可适当增加。为保证道床捣固方便，每公里铺设的轨枕不得 超过限度。道床是轨枕的基础，其作用是传布轨枕载荷到面积较大的路基面上，阻止轨枕移 动及排除地表水。由轨枕传给道床的静、动载荷相当大，因此道床将产生永久变形。同时在 不同的轨枕下面，其永久变形的程度也不同，从而在钢轨、轨枕和道床之间形成了间隙。由 于在各个轨枕处的间隙是不等的，因而在轨道的不同点作用同一轮重时其下沉量是不同的， 这就形成了轨道的弹性不均。2.3 引起车辆垂直振动激振源 引起车辆在垂直方向振动的原因有很多，按激振源的性质可分个别突出性的、周期性的、随 机性的三类。个别突然性的激振源：线路建筑长度方向的物理性质不固定会产生，局部病害，如线路在冬 季是冻涨的、道床质量不均匀和路基松紧程度不一产生的凹陷等，车轮通过曲线的这些个别 偶然性的病害时会产生突然起伏。车轮通过道岔时的运行情况，在辙叉部分，为避免车轮撞 击辙叉心，叉心尖端顶面低于轨翼顶面 从翼轨弯折处至叉心尖端有一段轨线中断的空隙， 称为道岔的有害空间，当车轮经过辙叉部分时，由于车轮踏面具有一定的斜度二使其以不同 的半径和轨面接触，是车轮先下沉而在上升起，轨心轨迹垂直方向的这种突然变化如图5-4 车轮经过上述线路局部短促不平时将激起车辆自由振动，虽然这种线路不平是个别出现的， 但遇到大的不平度时会激起车辆大振幅垂直和横向自由振动，影响列车的平稳运行，此外由 于列车突然的启动和制动也会引起车辆的纵向和横向垂直自由运动。周期性的激振源：钢轨接头处的下沉车轮踏面的擦伤，轮重不均衡和轮轴偏心，车中装有发 动机，这都属于周期性激振源在有缝钢轨上，接头部分时薄弱环节，由于钢轨接头部分的抗 弯刚度不够，致使轮对经过接头区域，不仅弹性下沉量大，而且当车轮从一根钢轨端部滚之 另一钢轨端部，车轮瞬间转动中心产生突变，从 a 点变至 b 点，此时，车轮前进的速度从Va变至vb速度方向的改变产生了垂直速度的分量Av这是由于受到接头处冲量s作用结果有s=mAvv=Av 9 ,a9角的大小与轨端的永久变形量？弹性变形量，轨面磨耗量等因素有关，这些量越大，冲量 s也越大，车轮质量m就越大，s就越大。冲量传至，车辆弹簧上部分激起其振动，轨端在 冲量的作用下增加其永久变形，冲量对车辆振动系统和轮轨间的相互作用都是不利的，减小 轮重可减小s,此即采用弹性车轮和轻型轮对的原因。随机性振动源:无列车通过轨顶面的不平，称为轨道的几何不顺，表示列车通过时轨顶面的 不平，称为轨道的动力不顺，造成轨道的几何不平顺的主要原因，是由于钢轨顶面的不均匀 磨耗及道床和路基的永久变形，造成轨道动力不平顺的主要原因是钢轨基础沿长度方向的弹 性不均匀，线路每一段的实际垂直刚度具有不同的数值，它和轨枕状态特别是近垫板处得状 态、钢轨和垫板的扣紧程度、垫板和归真的扣紧程度、道床密度及轨枕底部有无暗坑等因素 有关。所有这些因素的出现及其组合都是随机性的，对于有缝钢轨，虽然钢轨接头部分的动 力不平顺具有周期性，但非接头部分动力不平顺性则是随机性的，由于钢轨街头的存在，使 得轮轨间地作用力增大，加剧钢轨和连接零件的磨耗和损伤，影响车辆平稳运行，为了消除 钢轨接头，就出现了将普通钢轨连续焊接起来的无缝轨道，而无缝轨道的动力不平顺则完全 是随机性的，它没有确定的形状和规律，无缝轨道上的动力不平顺明显小于有缝轨道。轨道 动力不平顺具有波状特征，其波长值在lm左右到数十米之间变化，其波幅值也可在几毫米 到十几毫米甚至更大数值之间变化，其变化范围很广，通常长波的复制大，短波的幅值小， 由于轨道动力不平顺，是随机性的，它不可能用一个确定的函数来表示也不能用简单的用表 达简谐振动的幅值和频率来描述，而只能用表征随机过程统计特性术语来描述。轨道动力不 平顺时激起车辆垂直振动主要原因。引起车辆横向振动的激振原因:引起车辆横向振动的激振源也可分为个别突出的、周期性的、 随机性的三类，下面着重介绍其主要作用的周期性激振源。车辆沿着直线轨道运行时，车体 和转向架在横向水平面内的运行轨迹，也不是直线，而是某一段波状曲线，它们一边横摆运 动，一面又做摇头运动，车辆的这种运动即为横向运动，这是由于车轮踏面具有一定的斜度 和轮轨间存在复杂的动力作用而引起的。轮对沿着钢轨顶面的运动可分为两种情况来研究， 第一种情况是车轮沿着钢轨顶面做纯滚动而无滑动：第二种情况是车轮滚动时还伴随着路面 与轨顶面间的滑动，这种称之为蠕滑现象，蠕滑是一个复杂的动力过程，由于车轮踏面具有 斜率，轮缘与钢轨侧面之间有间隙，因此，压装与同一车轴上的左右两个车轮就会以不同的 滚动直径与轨面接触和滚动，由于滚动两轮行程而使轮对轴线偏移，这样又改变车轮的滚动 直径，是车轮偏向另一侧，于是，轮对在前进的同时还做周期性的左右运动，轮轴中心运动 轨迹成为一条周期为LW的波形曲线，图5-6,这这就称为蛇形运动。除了轮对蛇形运动引起 车辆横向周期性振动之外。轨道的水平不平顺和方向不平顺。也会引起车辆横向振动。由于 轨道左右轮轨接触点的高度差形成的轨面不平顺称之为水平不平顺。轨道在在轨顶横向平面 内的左右波状不平称之为方向不平顺。轨道的水平不平顺会引起车辆左右晃动即滚动振动， 轨道的方向不平顺会引起车辆的摇摆振动，轨道这两种不平顺的幅值和波长及出现也都是随 机的。